LTE隨機(jī)接入過(guò)程研究*

倪 偉，董宏成

(1.重慶郵電大學(xué)通信新技術(shù)應(yīng)用研究所，重慶400065;2.重慶信科設(shè)計(jì)有限公司，重慶400065)

0 引言

在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，網(wǎng)絡(luò)端和UE進(jìn)行通信時(shí)必須首先建立連接，以取得上行同步為目的的隨機(jī)接入過(guò)程是建立連接的首要步驟。因此，隨機(jī)接入過(guò)程將直接影響到系統(tǒng)的性能。

1 LTE隨機(jī)接入簡(jiǎn)介

隨機(jī)接入過(guò)程可以分為非同步隨機(jī)接入過(guò)程(Non-Synchronized Random Access)、同步隨機(jī)接入過(guò)程(Synchronized Random Access)。當(dāng)UE尚未和網(wǎng)絡(luò)端取得上行同步或者丟失了上行同步時(shí)，UE進(jìn)行的隨機(jī)接入過(guò)程稱為非同步隨機(jī)接入過(guò)程;當(dāng)UE和網(wǎng)絡(luò)端取得了上行同步而進(jìn)行的隨機(jī)接入過(guò)程，稱為同步隨機(jī)接入過(guò)程［1］。

UE進(jìn)行非同步隨機(jī)接入過(guò)程時(shí)，尚未取得精確的上行同步。所以，相比同步隨機(jī)接入過(guò)程，非同步隨機(jī)接入過(guò)程最顯著的特征是要估計(jì)并調(diào)整UE上行發(fā)送時(shí)鐘，使同步誤差控制在一個(gè)CP(Circle Preamble)長(zhǎng)度內(nèi)。

3GPP LTE沒(méi)有單獨(dú)定義同步隨機(jī)接入過(guò)程，本文所涉及的隨機(jī)接入過(guò)程均指非同步隨機(jī)接入過(guò)程。當(dāng)UE處于以下情況時(shí)，將進(jìn)行隨機(jī)接入過(guò)程，以獲取或恢復(fù)上行同步［2］:

1)從空閑狀態(tài)向連接狀態(tài)轉(zhuǎn)換，例如初始隨機(jī)接入或跟蹤區(qū)域更新等;

2)當(dāng)UE處于連接狀態(tài)，但沒(méi)有取得上行同步，需要發(fā)送上行數(shù)據(jù)或者控制信息，例如事件觸發(fā)的測(cè)量報(bào)告、下行數(shù)據(jù)的反饋信息等;

3)當(dāng)UE處于連接狀態(tài)，從當(dāng)前小區(qū)切換到目標(biāo)小區(qū);

4)鏈路連接失敗，恢復(fù)鏈路連接。

網(wǎng)絡(luò)端可以給UE分配專用的隨機(jī)接入前導(dǎo)序列，以避免多個(gè)UE使用同一個(gè)隨機(jī)接入前導(dǎo)序列來(lái)競(jìng)爭(zhēng)隨機(jī)接入，此過(guò)程稱為非競(jìng)爭(zhēng)模式隨機(jī)接入。反正，由UE隨機(jī)選擇一個(gè)隨機(jī)接入前導(dǎo)序列發(fā)起的隨機(jī)接入，而有可能引發(fā)接入沖突，此過(guò)程稱為競(jìng)爭(zhēng)模式的隨機(jī)接入。

2 競(jìng)爭(zhēng)模式的隨機(jī)接入過(guò)程

2.1 隨機(jī)接入初始化

在隨機(jī)接入初始化之前，UE通過(guò)解析小區(qū)廣播的系統(tǒng)信息，RRC層向MAC層配置如下信息［4］:

1)一系列可用的PRACH資源。UE從中選擇用于發(fā)送隨機(jī)接入前導(dǎo)的時(shí)頻資源;

2)隨機(jī)接入前導(dǎo)組和各組中一系列隨機(jī)接入前導(dǎo);

3)隨機(jī)接入響應(yīng)窗口大小，UE在時(shí)間窗內(nèi)接收RAR(Radom Access Respond，隨機(jī)接入響應(yīng));

4)初始前導(dǎo)功率，UE初次發(fā)送隨機(jī)接入前導(dǎo)的功率;

5)功率斜升參數(shù)，如果前一次隨機(jī)接入前導(dǎo)發(fā)送失敗，下一次發(fā)送時(shí)需增加的功率;

6)最大前導(dǎo)傳輸數(shù)目，允許發(fā)送隨機(jī)接入前導(dǎo)的最大次數(shù);

7)基于前導(dǎo)格式的功率偏移量;

8)最大Msg3 HARQ傳輸次數(shù);

9)競(jìng)爭(zhēng)解決定時(shí)器。

MAC層執(zhí)行隨機(jī)接入初始化過(guò)程，如下所示:

1)清空Msg3緩存;

2)前導(dǎo)傳輸次數(shù)計(jì)數(shù)器置為1;

3)UE中前導(dǎo)重傳退避時(shí)間置為0 ms;

4)選擇隨機(jī)接入前導(dǎo)。

2.2 隨機(jī)接入流程

基于競(jìng)爭(zhēng)模式的隨機(jī)接入過(guò)程由MAC層完成，其流程如圖1所示。

(1)Step1:UE通過(guò)PRACH向eNodeB發(fā)送隨機(jī)接入前導(dǎo)(Msg1)。

系統(tǒng)信息中廣播的隨機(jī)接入前導(dǎo)被分為2個(gè)組，MAC層根據(jù)在step3中所需的資源大小，在相應(yīng)的組中選擇隨機(jī)接入前導(dǎo)。用1bit的信息就可以指示不同接入目的所需的資源大小。

MAC層每傳輸一次前導(dǎo)序列時(shí)，通過(guò)UE測(cè)量的下行參考信號(hào)接收功率(RSRP)平均值來(lái)估計(jì)上行鏈路路損。MAC層根據(jù)路損向物理層設(shè)置前導(dǎo)發(fā)送功率(=初始前導(dǎo)功率+功率偏移量+(前導(dǎo)傳輸次數(shù)計(jì)數(shù)值－1)*功率斜升參數(shù))，以全額補(bǔ)償前導(dǎo)發(fā)送的路損。

UE根據(jù)PRACH的時(shí)頻資源，按下式計(jì)算出RA-RNTI:

式中t_id是所選的PRACH的第一個(gè)子幀的索引值(0≤ t_id<10)，f_id是在此子幀中的PRACH的頻率索引(0≤f_id<6)。

物理層在分配的前導(dǎo)傳輸時(shí)頻資源上，使用指示的發(fā)送功率，把“隨機(jī)接入初始化”過(guò)程中MAC層選擇的前導(dǎo)序列發(fā)往eNodeB。

圖1 基于競(jìng)爭(zhēng)模式的隨機(jī)接入流程

(2)Step2:eNodeB通過(guò)PDSCH向UE發(fā)送隨機(jī)接入響應(yīng)RAR(Random Access Respond)(Msg2)。

包括隨機(jī)前導(dǎo)序列ID、T-RNTI(Temporary Radio Network Temporary Identifier)、TA(Time Advance，時(shí)間提前量)、退避指示、資源分配等。

MAC層在系統(tǒng)信息廣播的期望的“隨機(jī)接入響應(yīng)窗口”時(shí)間內(nèi)接受RAR。

如果在該時(shí)間窗內(nèi)沒(méi)有接收到RAR，或者成功解碼的RAR中隨機(jī)前導(dǎo)序列ID和發(fā)送的隨機(jī)接入前導(dǎo)序列不一致，RAR不成功。此時(shí)，MAC層把“前導(dǎo)傳輸次數(shù)計(jì)數(shù)器”加1，并重新選擇一個(gè)前導(dǎo)序列，重新執(zhí)行前導(dǎo)的傳輸過(guò)程step1。每重新執(zhí)行一次前導(dǎo)傳輸，MAC層都會(huì)按照UE中指示的退避時(shí)間延遲重傳前導(dǎo)序列，避免過(guò)多的接入碰撞。

如果UE成功接收到RAR，UE根據(jù)RA-RNTI解碼PDCCH，以獲取PDSCH中的RAR信息，其中包含有前導(dǎo)序列ID、TC-RNTI等。如果成功解碼RAR，并且RAR中的隨機(jī)前導(dǎo)序列ID和發(fā)送的隨機(jī)接入前導(dǎo)序列一致，則認(rèn)為RAR成功。

如果多個(gè)UE在相同時(shí)頻資源上發(fā)送了相同前導(dǎo)序列，則會(huì)發(fā)生接入碰撞，每一個(gè)UE都也可能接收到RAR，包含相同的TC-RNTI。由此進(jìn)入到競(jìng)爭(zhēng)解決過(guò)程step3、step4。

(3)Step3:UE通過(guò)PUSCH向eNodeB發(fā)送L1L2消息(Msg3)。

包含RRC連接請(qǐng)求、跟蹤區(qū)域更新、調(diào)度請(qǐng)求、step2中解碼的T-RNTI、C-RNTI(如果存在)或者唯一的48bit UE標(biāo)識(shí)(如果不存在C-RNTI)。

RAR成功的UE在step2中分配的時(shí)頻資源上發(fā)送L1L2消息，時(shí)間提前量為RAR中解析出來(lái)的TA，發(fā)射功率=初始前導(dǎo)功率+功率偏移量+(前導(dǎo)傳輸次數(shù)計(jì)數(shù)值－1)*功率斜升參數(shù)，MAC層為發(fā)送的Msg3開(kāi)啟一個(gè)“競(jìng)爭(zhēng)能解決定時(shí)器”。UE期望在競(jìng)爭(zhēng)解決定時(shí)器超時(shí)之前接收到競(jìng)爭(zhēng)解決消息(Msg4)。

在step1中發(fā)生接入沖突的UE，在相同的上行時(shí)頻資源上發(fā)送L1L2消息，沖突仍然存在。如果UE不能在期望的時(shí)間內(nèi)接收到網(wǎng)絡(luò)端發(fā)送的競(jìng)爭(zhēng)解決消息，MAC層將啟動(dòng)HARQ重傳L1L2消息，每一次HARQ重傳都將重置競(jìng)爭(zhēng)解決定時(shí)器，直到達(dá)到最大的Msg3 HARQ傳輸次數(shù)，UE向高層報(bào)告競(jìng)爭(zhēng)解決失敗。

即使eNodeB成功解碼一個(gè)UE，其他的UE沖突仍然未解決，eNodeB將在step4中快速解決競(jìng)爭(zhēng)。

(4)Step4:eNodeB通過(guò)PDSCH向UE發(fā)送競(jìng)爭(zhēng)解決消息(Msg4)。

競(jìng)爭(zhēng)解決消息是基于T-RNTI或者C-RNTI的。對(duì)于在step3中每一次前導(dǎo)的發(fā)送或重傳，MAC層都會(huì)期望在競(jìng)爭(zhēng)解決定時(shí)器超時(shí)之前接收到競(jìng)爭(zhēng)解決消息。

如果UE接收到并正確解碼競(jìng)爭(zhēng)解決消息，且檢測(cè)到屬于自己的T-RNTI或者UE標(biāo)識(shí)，競(jìng)爭(zhēng)解決成功，該UE將向網(wǎng)絡(luò)端傳輸HARQ反饋，同時(shí)將T-RNTI晉升為C-RNTI。

而其他沒(méi)有接收到競(jìng)爭(zhēng)解決消息，或者解碼競(jìng)爭(zhēng)解決消息失敗，或者成功解碼但是檢測(cè)到不屬于自己的T-RNTI或者UE標(biāo)識(shí)的UE，競(jìng)爭(zhēng)解決失敗，UE不會(huì)發(fā)送HARQ反饋。此時(shí)，UE清空HARQ緩存，“前導(dǎo)傳輸次數(shù)計(jì)數(shù)器”加1，設(shè)置退避時(shí)間值，UE在和上一次同樣的前導(dǎo)序列組中隨機(jī)選擇一個(gè)前導(dǎo)序列，然后重新執(zhí)行前導(dǎo)傳輸step1。

3 非競(jìng)爭(zhēng)模式隨機(jī)接入過(guò)程

當(dāng)UE要求較小時(shí)延的隨機(jī)接入時(shí)，例如切換和重新使用上行鏈路，可以使用非競(jìng)爭(zhēng)模式的隨機(jī)接入過(guò)程，以快速和網(wǎng)絡(luò)建立連接。此時(shí)，由網(wǎng)絡(luò)端分配專用的隨機(jī)接入前導(dǎo)序列，此后過(guò)程同競(jìng)爭(zhēng)模式隨機(jī)接入step1、step2。

非競(jìng)爭(zhēng)模式的隨機(jī)接入流程如圖2所示。

圖2 基于非競(jìng)爭(zhēng)模式的隨機(jī)接入流程

4 結(jié)束語(yǔ)

隨機(jī)接入過(guò)程是LTE移動(dòng)通信系統(tǒng)中一個(gè)重要的過(guò)程，直接關(guān)系到系統(tǒng)性能。

基于競(jìng)爭(zhēng)模式的隨機(jī)接入過(guò)程的目的是取得上行同步，接入時(shí)間較長(zhǎng)，是和網(wǎng)絡(luò)端建立連接必不可少的步驟?；诜歉?jìng)爭(zhēng)模式的隨機(jī)接入過(guò)程適用于已經(jīng)取得了上行同步的情況，以快速建立數(shù)據(jù)交互為目的，對(duì)時(shí)延要求較高。

［1］沈嘉，索士強(qiáng)，全海洋.3GPP長(zhǎng)期演進(jìn)(LTE)技術(shù)原理與系統(tǒng)設(shè)計(jì)［M］.北京:人民郵電出版社，2008.

［2］Stefania Sesia，Issam Toufik，Matthew Baker.LTE-The UMTS Long Term Evolution:From Theory to Practice［M］.John Wiley ＆ Sons，Ltd.2009.

［3］3GPP TS 36.211 V8.8.0 3rd Generation Partnership Project;Technical Specification Group Radio Access Net-work;Evolved Universal Terrestrial Radio Access(EUTRA);Physical Channels and Modulation. ［S/OL］.(2009－12－09).［2010－01－09］.http://www.3gpp.org.

［4］3GPP TS 36.321 V8.8.0 3rd Generation Partnership Project;Technical Specification Group Radio Access Network;Evolved Universal Terrestrial Radio Access(EUTRA);Medium Access Control(MAC)protocol specification.［S/OL］.(2009－12－28).［2010－01－09］.http://www.3gpp.org.